基于西門子PLC系統試驗平臺的設計與開發

劉德海 阮理想 王高芝 馬 雷

(河南煤業化工集團 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600)

主提升運輸系統作為礦山企業的關鍵設備，對礦山的安全高效運行具有及其重要的作用，為提升主提升系統的安全運行性能，其控制方式由傳統的繼電接觸器控制系統向數字式控制系統轉變，由于西門子PLC具有結構簡單、編程方便、可靠性高、對使用環境適應性強等優點，在礦井提升系統中得到廣泛應用，但是PLC控制系統對檢修人員的素質要求較高，設備出現故障時要依靠廠家技術人員進行指導，不利于煤礦的提升系統的安全運行，為解決新技術與工人素質不高的矛盾，設計開發一臺基于PLC控制系統的實驗平臺。

1 試驗平臺的組成

該試驗平臺由外部輸入、輸出設備，西門子S7-300PLC，終端顯示器3部分組成。如圖1所示。其中輸入設備用來根據實際控制需要接收外部開關量、模擬量信號，輸出設備用來顯示程序執行后的實際效果，通過S7-300PLC通訊口實現計算機與PLC的通訊，上傳下載應用程序。

2 功能設計

2.1 檢驗程序

將編好的應用程序輸入到微機內，利用軟件進行程序檢驗，起初有幾處編程語法錯誤，經過幾次認真修改后，程序無誤。然后傳入PLC內。

2.2 信號模擬

用實驗臺上的模擬開關模擬輸入信號，接入相對應的輸入端點。輸入程序后，扳動開關，接通或斷開模擬開關，用來模擬相應按鈕動作及機械動作使檢測元件狀態發生的變化，并通過輸入輸出指示燈來觀查輸入輸出端點的狀態變化，經觀察模擬開關與PLC連接正確。

2.3 按程序進行模擬運行

先對照輸入信號表，設置好原始狀態下所有輸入信號的狀態，再使PLC運行，按下相應按鈕，按梯形圖程序，觀察輸出情況，經觀察符合程序設定的輸出;按工步狀態在一個工作循環里逐步轉換的順序依次發出狀態轉移指令信號，系統將結束一個工步狀態轉入下一個工步狀態，將轉換情況和已編的程序相比較，知轉換情況與程序設定的輸出情況相同，電氣原理圖仿真及程序調試成功。

3 硬件系統設計

根據礦井提升系統運輸設備的控制特點及PLC控制的基本原理，該實驗平臺應具備開關量邏輯控制，運動控制，閉環過程控制、數據處理、通訊等功能。

外部輸入開關量設備采用用轉換開關，按鈕作為PLC的輸入設備，輸出設備采用帶指示燈的24V繼電器作為PLC的外部輸出，西門子S7-300應包括中央處理單元、電源模塊、信號模塊、接口模塊、通訊處理模塊導軌等部件。其硬件設計原理如圖2所示。其中中央處理單元CPU用于儲存和處理用戶程序，控制集中式和分布式I/O，電源模塊用于將AC220V電源轉換為DC24V電源，信號模塊使外部的輸入輸出信號與PLC內部的電平信號匹配。接口模塊用于多機架擴展連接，通訊處理用于PLC與計算機之間的通訊，可以使PLC接入工業以太網，實現點對點通訊。硬件系統設計如圖1所示。

圖1 硬件系統設計示意圖

4 輸出電路設計

輸出設備采用電磁繼電器控制，電磁繼電器是一種由小電流的通斷控制大電流通斷的常用開關控制器件，如圖2所示：電磁繼電器的工作原理是當它的電磁鐵線圈通過一定數值的電流時，產生的電磁鐵吸引力大于彈簧的反作用力，銜鐵動作使輸出回路中的常開觸點閉合，常閉觸點打開。當通過線圈的電流小于釋放電流時，彈簧將銜鐵彈回，輸出回路各觸點恢復原態。它也具有控制電壓低、驅動電流小、直流或脈沖電壓均能作為輸入控制電壓的特點。

圖2 電磁繼電器控制原理

5 抗干擾設計

由于PLC系統在工作過程中會存在干擾，影響信號傳輸的精確性與靈敏性，針對干擾的來源，主要采用正確接地、隔離與屏蔽等抗干擾措施。

5.1 正確接地

接地保護是指通過接地保護設備和抑制干擾，是防止從接地系統傳來干擾的常用措施。由于本測控系統中包含的設備較多，由多個設備公共地線串聯接地而形成的環路，采用并聯接地的方法來切斷干擾。

5.2 隔離與屏蔽

隔離和屏蔽是抑制干擾耦合的有效措施，隔離變壓器和光電耦合器是典型的隔離器件。由于干擾信號的電壓較大，而電流很小，因此用隔離變壓器減少對有用信號的影響，在電源變壓器和低通濾波器之間加隔離變壓器把工業電網和測控系統隔離開，消除因公共地電阻引起的耦合，減少負載波動的影響。

6 通訊系統設計

計算機具有較強的數據處理功能，配備多種高級語言，若選擇適當的操作系統，則可提供優良的軟件平臺，開發各種應用系統，特別是動態畫面顯示，實現PLC與計算機通訊使試驗平臺成功運行的關鍵，把PC開發成PLC編程終端，通過編程器接口接入PLC，進行編程、調試及監控。

6.1 西門子S7-300通訊協議

S7-300CPU支持的主要通訊協議有PPI、MPI和PROFIBUS協議。

PPI協議是點對點接口模式，屬于典型的主從協議模式，這種協議模式對主站的數量有一定的限制一般不超過32個，但是對于任意一個從站與之通訊的主站的數量不受PPI限制，當從站接到主站發送的要求時，從站響應要求，但不發送信息。等待主站進一步信息。

MPI協議允許兩種通訊模式，即主—主通訊和主—從通訊，網絡設備通過任意兩個設備的連接進行通訊。

PROFIBUS協議在于實現與分布式I/O的高速通訊，PROFIBUS網絡包括一個主站和若干個從站，主站不斷讀寫從站的數據，當一個DP主站成功配置了一個DP從站后，它就擁有了這個從站設備。

本系統計算機與PLC的通訊采用MPI協議與網絡適配器實現計算機與PLC的連接，這種方式不需要增加投資，有較好的靈活性，適合本實驗平臺的控制要求。

7 結語

本實驗平臺的成功運用，提高了檢修人員對PLC基本結構、程序編寫、硬件組態的理解，提高了檢修人員的維修技能，減少了主提升控制系統的影響時間，保證了礦井主提升運輸的系統的安全運行。

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［3］王永華.現代電氣控制及PLC應用技術(西門子)［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008

［4］張運剛.西門子STEP7視頻教程［M］.北京：人民郵電出版社，2010